O dia após o primeiro passeio espacial da missão STS-134 foi iniciado com trabalhos robóticos, configurando o Canadarm e o sistema de sensores OBSS para actividades de inspecção. Gregory Johnson e Andrew Feustel, juntamente com Michael Fincke, procederiam mais tarde a uma inspecção detalhada de uma área danificada na parte inferior do Endeavour.
Andrew Feustel juntar-se-ia mais tarde a Gregory Chamitoff para prepararem os fatos espaciais extraveículares que seriam utilizados no segundo passeio espacial. Os dois homens instalaram baterias e levaram a cabo configurações na escotilha de acesso ao exterior. Procederam também à confoguração do fato de Chamitoff para secar, pois o aumento de humidade no fato é a causa suspeita de ter levado à falha dos filtros de dióxido de carbono no primeiro passeio espacial.
A 21 de Maio a NASA indicava que o sistema de protecção térmica do Endeavour estava em bom estado e que o vaivém poderá regressar à Terra sem qualquer problema.
Neste dia a tripulação do Endeavour e da Expedição 27 juntou-se no módulo Kibo para receberem uma comunicação do Para Bento XVI. O Papa, apresentado à tripulação pelo astronauta Thomas Reiter que é também director das operações espaciais tripuladas da ESA, questionou as tripulações acerca do que viam e dos seus pensamentos sobre a Terra. Também perguntou sobre as mensagens que trariam de volta para a Terra e sobre o que reflectiram no espaço.
Ainda neste dia Feustel, Fincke e Chamitoff trabalharam cerca de duas horas para preparar o segundo passeio espacial. Perto do final do dia todos os membros da tripulação juntaram-se para rever os procedimentos para a actividade extraveícular. Feustel e Fincke passaram a noite a uma pressão reduzida no interior do módulo Quest para reduzir a percentagem de nitrogénio nas suas correntes sanguíneas e para reduzir a possibilidade de necrose por nitrogénio no ambiente de baixa pressão dos seus fatos espaciais.
O segundo passeio espacial da missão STS-134 teve uma duração de 8 horas e 7 minutos. Os dois homens procederam ao enchimento de um tanque de amoníaco de um sistema de arrefecimento, lubrificaram uma junta de um painel solar e de uma das «mãos» do sistema de manipulação Dextre, e procederam à instalação de cabos de armazenamento no meio da estrutura principal da ISS.
No interior da ISS procedeu-se a trabalhos de armazenamento e transferência de mantimentos e outro materiais desde o Endeavour para a ISS.
Ainda neste dia procedeu-se à cerimonial transferência de comando da ISS do cosmonauta Dmitri Kondratyev para o cosmonauta Andrey Borisenko que comanda a Expedição 28.
A 24 de Maioo cosmonauta Dmitry Kondratyev e os engenheiros de voo Paolo Nespoli e Cady Coleman despediram-se dos restantes membros da tripulação da ISS e do Endeavour, ingressando de seguida na Soyuz TMA-20. A separação entre os dois veículos teve lugar às 2135:47UTC do dia 23 de Maio. Após se separar da ISS, esta começou uma manobra para que Paolo Nespoli pudesse ter a oportunidade única de fotografar o vaivém espacial Endeavour acoplado com o complexo orbital. As imagens deste momento histórico serão mais tarde divulgadas pela NASA.
Pelas 0137UTC do dia 27 de Maio a Soyuz TMA-21 executou a manobra de retro-travagem e iniciou a descida para a Terra. Esta queima terminou às 0147UTC. A aterragem ocorreu às 0227UTC após um voo de 159 dias 7 horas e 16 minutos.
Imagem: NASA; Vídeo: Vesti.ru